基于使用蓄能器的怠机停止方式的液压油源的节能

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出于石油等能源资源的枯竭和保护地球环境的需要，节能工作在各种领域都在推进。在液压领域，节能也是-个重要课题 ，很多节能措施都在被实施。在液压设备工作中，工作流量大幅度变化的情况很多，通常采全定量泵改为变量泵(以下简称VD油源”)、采用变频调速驱动(以下简称INV油源”)等措施来实现节能。变量泵和变频调速相比传统方法，可以将输出流量降至最低，减少浪费。这样虽然可以将能耗降低，但也带来了液压泵效率下降的问题。

在这样的背景下，如果将蓄能器应用到油源中，利用蓄能器的蓄压功能来实现泵驱动电机的间歇运行 ，即碟停止方式运行(以下简称ACC油源”)，就可削减无谓的耗电。这种方式在技术上并不难，但以前对泵进行频繁启停的做法很少采用 J。最近，采用这种驱动方式的设备开始在市场上出现，并获得了很高的评价。

ACC油源的泵工作时，泵-直在最高效率状态下输出最大流量，多余的流量存储在蓄能器中。存储到- 定程度当蓄能器内压力上升超过设定值时，泵停止工作(碟停止)，停止过程中由蓄能器输出流量，压力下降至设定值时泵再开始启动。这个过程周而复始，泵-直工作在高效率状态，可以获得较高的系统整体效率。作者最初通过机床的建模实验，随后通过负载间歇供油的建模实验展示了ACC油源的上述优点。

本研究面向连续作动的执行器，展示以-定流量供给负载条件下的ACC油源的节能性能。

ACC油源区别于其他油源，-直在进行泵的开关动作，停止时非常安静，但再启动时有-定程度的冲击，并产生较大的尖峰电流对电力系统造成冲击。而收稿 日期：2013-08-21作者简介：杉村健，主要从事机械系统方面的研究工作。

2013年第9期 液压与气动且，因为使用蓄能器对压力进行升降，在负载压力确定的情况下需要进行多余的升压而导致效率下降。为此ACC油源里蓄能器的容积及其上下限设定压力比值对效率及泵的启停动作周期的影响需要明确。

1 主要符号. 为负载消耗能量； 为泵输出能量； .为负载消耗功率； 为电机消耗功率；p0为蓄能器封人压力；P 为下限压力；PL为负载侧的必要压力；p 为上限压力 ；p为蓄能器内压力；Q 为油源的负载流量；Q 为泵回转时的流量；gi为蓄能器流人流量；r。为上限下限的压力比(p /p )；r 为负荷流量比(Q /Q )；为时间；为蓄能器容积； 为下限压力时的氮气体积； ，为上限压力时的氮气体积；V为蓄能器内的氮气体积；7 为蓄能器的效率； 为油源的效率； 为比热比2 实验装置本研究中使用的实验装置的构成如图 1所示。部件①表示油源的负载，由节流阀和流量计构成 ，在图中与部件②的 ACC油源连接在-起，也可与部件③的VD油源和部件④的INV油源连接在-起进行测量。

ACC油源与 VD油源共用泵和电机，ACC油源的切换压力设得十分高，以致于在实验范围内把它作为定量泵来工作。其规格参数和实验条件分别如表 1和表 2所示 。

ACC pump n it VD pump unit INV pump unit图 1 实验装置表 1 油源参数值表ACC油源/VD油源 INV油源类型 叶片式 齿轮式排量/cc/rev 8.0(最大值) 5.7(固定值)最大工作压力/MPa 4.0 4.O电机额定输出功率/kw 0.75 1.5表2 实验条件Pd2.6 MPaP 3.0 MPa(除图9和图 12) 3.0 L(除图 10和图 11)K 1.4黏度 ：4.6×10 m /s温度 ：30±3℃3 各油源的特性比较3.1 ACC油源的特性ACC油源在运行中的各部分变化的-个案例如图2所示，其特性的测定结果如图 3所示。输出压力在设定的上限和下限压力之间变化。本研究中以向负载供给-定压力P 为条件进行评价。在这里下限压力设为P 。当实际的输出压力超过负载必要压力P 时，有必要采用减压阀等手段减压到 P 所以，在计算油源输出给负载的功率 L (输出功率)时，如式(1)所示实际的输出压力既使超过 P ，但计算中仍然使用 P 。

式(2)中计算 .与电机消耗功率的比值，作为油源的效率 叼lJ。

LLPLQL (1) LL (2)通常，泵的效率采用传送给油的动力(液压动力)与泵的轴动力的比值。与此相比，本研究的效率 因为包含电机效率的下降及多余压力上升带来的损失，大概是泵的效率的80%左右。

5000≥40003000言200010000432l量垦15105 晕0毫星重图2 ACC油源的输出压力、泵转速、流量和耗电变化图。 .II-HH，P 0q∽I10 B10l2 液压与气动 2013年第9期如图3所示，ACC油源的效率在流量发生改变时也不变化是其优点。

毫萎币erPesu reE簪lectricpo werUpi L1mlt 、J/ . .... . . ...。

-L。wer Presure Jk'Limit。 . ut 。 cr0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ll l2Flow rate/L.min图 3 ACC油源特性3.2 VD油源的特性VD油源的特性的测量结果如图 4所示。VD油源的全切停压力设为 3.4 MPa，切停压力为2.6 MPa。

因为将负载需要的压力P .设定为切停压力，与 3.1同样，超出的压力将变为损失。随着流量的减少，负载消耗功率和效率将下降，电机的转速在 1400 r/min至1500 r/min之问变化。

l600l400g12001000800皇 600星 4002000i岜宙图 4 VD油源特性3.3 INV油源的特性INV油源的特性的测量结果如图5所示。如要增加流量，泵的转速就要上升。流量至 14 lMmin左右其输出压力基本不变化，保持在 2.6 MPa。而且效率与流量同时上升。

图5 INV油源特性3.4 三种油源的效率比较ACC油源、VD油源、INV油源的3种油源的效率如图6所示。流量达到最大输出流量附近时，三者的效率差值很小，也是各 自的最大效率。随着流量的下降，VD油源、INV油源的效率也下降，流量达到零时效率也变为零。但是，ACC油源的效率几乎不随着流量而变化，而且保持在较高值。这是由于泵仅在高效区域工作，不用时泵就停止。因此，流量较少的使用状态下，ACC油源的优势就展现出来。

o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 lO 11 12Flow rate/L.min-图6 各油源的效率及流量通常，使用液压的诚，最大输出流量下的工作时间非常少，流量从零变化到最大输出流量的工作比较多，使用 ACC油源在大部分诚都可以节能。

4 ACC油源的蓄能器容积及设定压力比对效率及切换周期的影响上节介绍了ACC油源的优异的效率特性，但其缺点是压缩蓄能器内氮气，进行液压油的存储和释放而导致压力上下变化。在下限压力取负载必要压力时，采用高压泵产生高压是必需的，这部分的损失不能不考虑。而且高压泵不能以恒定的转速运行，频繁的启停不可避免。因此需要明确上下限压力比对蓄能器的容积--效率、切换周期特性的影响。

如图7所示：蓄能器运行的负载为供给-定流量Q .的时候，图8中给出-个算例(理论计算结果)。初始时刻泵以-定的速度转动，富余的油储存在蓄能器中，然后在区间 泵停止工作，在这个区间作动油从蓄能器中释放出来〖虑在 0

Q (ON state)0 (OFF state)图7 蓄能器的输入流量和负载流量图 8 ACC油源 的压 力p蓄能器内的变化过程时间充分长取等温变化，蓄能器中封人压力和下限压力的关系如式(4)表示 ：p0VoPd (4)在 0

t 时刻，得到式(11)，并采用式(3)进行恒等变形后 ，泵的停止时间 由式(12)表示：- VuQ (11) 1( ) (12)作动油的存储和释放的-个周期取 ，由式(13)表示： - 门 (13)下面求出从泵的供给能量，泵只在 ON的区间内输出功率，在这个区间泵的输出能量 E。由式(14)表示：E J pQpdt (14)P由式(6)代入后，得到式(15)：-- ) (- )(1-计算负载消耗的能量 E 时，压力不是P而是采用负载侧的下限压力P ，得到：E (T )Q d (16)将式(13)代人后，得到式(17)：1( (17)用 E。除E 的商定义蓄能器的效率 叼 ，得到：(18)下面介绍将由式(13)与(18)所定义的周期和效率的计算结果与实验结果。如图9表明了上限压力对下限压力的比rp对泵输出流量对负载流量的比r --油源的效率 叼 切换周期 特性的影响。其中：Q 12.5 L/min。负载流量增大后 ，泵的运行时间 变长， 口.磐疆∞ 4 3 2 1 0 pJn∞∞aJ如 ∞ 如 加 m∞ 口0 014 液压与气动 2013年第9期负载流量比趋近于 1时，运行时间变为无限大。反之，负载流量比趋近于0时，泵的停止时问 变为无限大。因此，如图9、10中定义为 和 之和的周期的值根据式(13)在两端取无限大，在中间取最校从图中可知：随着压力比rn的增大，切换周期 变长且效率 叩 变低。

如图10中表明了蓄能器的容积对负载流量--油源的效率叼 切换周期 特性的影响。从图中可知：蓄能器的容积变化时，周期大幅变化但效率变化不大。

0 0.1 0.2 0.3 0 4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Flow Rate QL/Qp图 1O 蓄能器容积和流量比对 ACC油源的效率 町 和周期 r，0的影响如图1l表示在负载流量比 rn为 48%时，蓄能器容积与蓄能器效率 以及周期 的关系。理论计算中周期 成比例变化，效率 保持不变，实验结果也与计算值相近。

图 ll 蓄能器容积对 ACC油源的效率 叼 和周期 的影响如图12表示在同-负载流量比r 下，压力比 对蓄能器效率 叼。以及周期 的影响。随着压力 比的增加，理论计算的周期 ro增加，效率 叩 减校实验结果也与理论计算结果-致。

5 结论作者在已发表的论文中采用 3种油源进行了效率比较，通过机床的建模实验，以及通过负载间歇供油的建模实验明确了ACC油源的优点。

图 12 压缩比对 ACC油源的效率 叼.和周期 的影响本研究表明，以-定流量定常的供给负载，以及以小于泵最大输出流量供给负载时，ACC油源具有优势。

明确了蓄能器容积对上下限设定压力 比--效率、切换周期特性的影响。

最后，对在实验中给予我很多帮助的本校毕业生安藤邦生以及山田路表示感谢。